Проектирование лазерных излучателей (1151954), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Задачей является определение требований к уровню входного сигнала для получения заданной энергиивыходного излучения. На первом этапе проектирования усилителябудем исходить из следующего. Зададим максимальную энергиюнакачки, определенную ТУ на лампу накачки. Это дает нам наилучшие усилительные характеристики. При необходимости, энергия накачки усилителя может быть потом уменьшена. Для этогослучая можно найти энергию входного сигнала усилителя E вхус , прикоторой на выходе усилителя реализуется энергия, требуемая поРис.9.2.
Усилительные характеристикитехническому заданию. Очевидно, что это значение E вхус являетсяоднопроходного усилителей.минимальным. При уменьшении энергии накачки усилителя дляполучения заданной выходной энергии значение E вхус будет увеличиваться. Для проектируемого генератора это будут более высокие требования, которые сложнее обеспечить.Для определения E вхус нам необходим модельный генератор, формирующий заданный импульс излучения.
Рассчитываем зависимость энергии выходного излучения от энергии на входе усилителя(рис.9.2). Находим, что энергия импульса должна быть равна E вхус =184 мДж.На этом первый этап проектирования усилителя закончен. После проектирования генератора намнеобходимо будет вернуться к проектированию усилителя с целью определения коэффициента увеличениясогласующего телескопа, уточнению энергии накачки и задержки накачки усилителя относительно накачки генератора.Б. Проектирование генератора. При проектировании генератора необходимо определить:1. Размеры активного элемента.2. Энергию накачки.3.
Коэффициент отражения выходного зеркала.4. Тип затвора.5. Параметры затвора - для активного затвора: начальное и конечное пропускание, время включения изадержку до включения; для пассивного затвора - начальное и конечное пропускание.6. На заключительном этапе нам будет необходимо определить энергию накачки.Б.1. Размеры активного элемента. Выбор диаметра производится исходя из обеспечения допустимойплотности энергии. Но имеется два отличия от однопроходного усилителя. Во-первых, энергия излученияизвестна за выходным зеркалом (вне резонатора), а допустимая плотность энергии определяется на торцеактивного элемента (внутри резонатора). Во-вторых, через торец активного элемента распространяютсядва потока излучения (слева на право (I+) и справа на лево (I-)) и воздействие на торец определяется суммарной плотностью энергии этих двух потоков, а не одним потоком, как это имеет место в однопроходном усилителе.Можно записать следующие два выражения для интенсивностей I+ и I- и интенсивности выходного излучения I вых через коэффициент отражения выходного зеркала Rвых(9.3)I − = Rвых ⋅ I + ,+.(9.4)I вых = (1 − Rвых ) ⋅ IС использованием их можно выразить суммарную интенсивность I Σ проходящего через торец активногоэлемента излучения1 + Rвых .(9.5)I Σ = I + + I − = I вых1 − RвыхТак как до выходного зеркала и после него длительность импульса одна и та же, то проинтегрировав вовремени получаем соотношение, аналогичное (9.1)1 + Rвых E вых 1 + Rвых E вых(9.6)Qаэ = Qвых= ген= ген γ ≤ Qдоп .1 − Rвых Sаэ1 − Rвых SаэЭто выражение устанавливает связь между плотностью энергии на выходе лазера Qвых с плотностьюэнергии на торце активного элемента Qаэ .
Из условия обеспечения ресурса работы элемента величина Qвыхне должна превышать Qдоп . Из (9.6) несложно получить выражение для диаметра активного элементаDаэген ≥генген4 E вых4 E вых(1 + Rвых )=γ .π ⋅ Qдоп (1 − Rвых )π ⋅ Qдоп(9.7)7Проектирование лазерного излучателя.Табл.9.2.По сравнению с (9.2) нам неизвестен один параметр коэффициент отражения выходного зеркала, который будетАктивный элемент Rвых, %γнайден в процессе проектирования.
На этом этапе нам необхоYAG:Nd3+10-201,22-1,5димо принять ориентировочно значение Rвых . В ходе расчетаYAP:Nd3+1,5-1,8620-30точного значения Rвых необходимо будет уточнить величинуYSGG:Cr3+:Nd3+30-40 1,86-2,33гендиаметра Dаэ .Стекло с Nd3+40-502,33-3Величина оптимального коэффициента отражения определяется коэффициентом усиления среды активного элементаи вредными потерями резонатора. Причем величина Rвых может значительно отличаться при оптимизации на максимальную энергию или мощность излучения. Как отмечалось в разделе 9.1 мы принимаем оптимизацию на максимальную энергию. Ориентировочные значения Rвых и соответствующие им γ для различных типов активных элементов приведены в таблице 9.2.Сравнение (9.6) с (9.1) показывает, что для получения одной и той же плотности выходной энергии в генераторе торец активного элемента будет испытывать в γ раз большую нагрузку, чем в однопроходном усилителе.
Большая величина γ требует использовать элементы большего диаметра. При выбореRвых предпочтительно выбирать большее значение, что позволит выбрать больший запас по нагрузке наторец активного элемента.На этом этапе можно ориентировочно определить отношение диаметров активных элементов генератора и усилителя. Величина выходной энергии генератора, равная энергии на входе усилителя, связаусилгенна с выходной энергией усилителя коэффициентом усиления G ( E вых).
Тогда (9.7) примет вид= G ⋅ E выхDаэген ≥усил4 E выхγ .π ⋅ Qдоп G(9.8)Из (9.8) следует, что при γ/G =1 диаметры Dаэ обоих каскадов будут одинаковы. В некоторых случаях этоимеет место при использовании стекла с Nd3+. Для этого активного элемента характерно небольшое сечение перехода, что дает небольшой коэффициент усиление среды. Как следствие реализуются небольшиезначения G и коэффициент отражения Rвых имеет достаточно большое значение. Другая ситуация имеетместо для такого активного элемента, как YAG:Nd3+. Сечение перехода для него почти в 10 раз больше,чем для стекла с Nd3+.
Реализуются большие коэффициенты усиления среды. Поэтому достижимы большие значения G и необходимы меньшие Rвых . Как правило в лазерах на YAG:Nd3+ диаметр активногоэлемента генератора всегда меньше, чем усилителя.генДля E вых=184 мДж принимая Qдоп=1,8 Дж/см2 и Rвых =20% получаем Dаэген ≥ 4,42 мм. Из рекомендованного типо-ряда (табл.9.1) выбираем диаметр Dаэген =5 мм. Выбираем из таблицы 9.1 длину активного50 мм. Освечиваемая (накачиваемая) длина составляет 45 мм.элемента - Lгенаэ =Для накачки такого элемента используются импульсные лампы накачки с длительностью импульса 75 мкс (на уровне 0,5) и максимальной энергией 24 Дж. В этом режиме работы ресурс работы лампысоставляет не менее 108 импульсов.Б.2.
Длина резонатора. На этом этапе длину резонатора выбираем из конструктивных соображений. Вквантронах с ламповой накачкой длина лампы в 1,5-3 раза больше длины активного элемента. В резонатор устанавливается модулятор добротности. У активного затвора длина соизмерима с длиной активногоэлемента. Пассивный затвор имеет длину 2-3 мм.
Обычно Lрез=(2-3)Lаэ. Принимаем Lрез=250 мм.Длина резонатора определяет время линейного развития генерации, длительность генерируемогоимпульса. С ростом длины резонатора возрастают дифракционные потери.Б.3. Дифракционные потери. Величина потерь определяется из расчетов в рамках решения дифракционнойзадачи для выбранной конфигурации резонатора. Как правило существующие теории позволяют сделатьрасчет для резонатора, содержащего идеальные (оптически однородные) элементы.
Учет термонаведенных искажений в них производится введением в резонатор эквивалентной линзы. Для получения болееточных результатов необходим учет неоднородностей оптических элементов в резонаторе(технологических и термонаведенных). В первом приближении можно принять, что дифракционные потери в многомодовом режиме составляют 3-7%. Принимаем величину потерь равной 5%.Б.4. Диаметр диафрагмы. Диафрагма устанавливается в резонатор для обеспечения одномодового режимаработы.
Величина ее диаметра определяется из решения дифракционной задачи для выбранной конфигурации резонатора. В случае многомодового режима генерации принимаем, что диаметр диафрагмы равендиаметру активного элемента (диафрагма отсутствует).8Усиление и генерация импульсного лазерного излучения.Б.5. Накачка активного элемента. Задаем рекомендованную по паспорту длительность импульса накачки75 мкс и максимально допустимую энергию накачки - 24 Дж.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
